熱效應(yīng)在電流驅(qū)動(dòng)反鐵磁/鐵磁交換偏置場翻轉(zhuǎn)中的顯著作用*

何宇 陳偉斌 洪賓 黃文濤 張昆? 陳磊 馮學(xué)強(qiáng)李博 劉菓 孫笑寒 趙萌 張悅?

1) (北京航空航天大學(xué)集成電路科學(xué)與工程學(xué)院,費(fèi)爾北京研究院,空天信自旋電子技術(shù)工業(yè)和信息化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100191)

2) (山東大學(xué)物理學(xué)院,晶體材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,濟(jì)南 250100)

3) (北京航空航天大學(xué)合肥創(chuàng)新研究院,合肥 230012)

1 引言

以磁隧道結(jié) (magnetic tunnel junction,MTJ)為核心的磁隨機(jī)存儲(chǔ)器 (magnetic random access memory,MRAM) 因具有非易失、低功耗、高速度等優(yōu)勢得到廣泛的關(guān)注,有望運(yùn)用到未來的人工智能芯片當(dāng)中[1,2].MTJ 器件的特征尺寸和磁矩翻轉(zhuǎn)功耗決定了MRAM 的集成密度和功耗水平這兩個(gè)重要指標(biāo).反鐵磁/鐵磁界面的交換偏置效應(yīng)能夠令鐵磁層保持強(qiáng)磁各向異性,從而增大器件的抗外場干擾的能力,并提高器件的可微縮性;同時(shí),利用電流能夠高效驅(qū)動(dòng)反鐵磁/鐵磁界面的交換偏置場Heb和鐵磁磁矩的180°翻轉(zhuǎn),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)低功耗信息寫入.最近,研究人員在具有垂直磁各向異性的Pt/Co/IrMn[3–6],IrMn/CoFeB[7],IrMn/CoTb[8]以及Pt/IrMn/[Co/Pt]2/Co[9]等多層膜結(jié)構(gòu)中利用自旋軌道矩 (spin-orbit torque,SOT) 實(shí)現(xiàn)了垂直Heb的翻轉(zhuǎn),為電控Heb提供了一條可行的路徑.眾所周知,在具有垂直磁各向異性的重金屬/鐵磁體系中利用SOT 實(shí)現(xiàn)磁矩的確定性翻轉(zhuǎn)需要面內(nèi)磁場或者等效面內(nèi)場的相關(guān)作用打破SOT 的面內(nèi)對(duì)稱性[10–15],而利用SOT 實(shí)現(xiàn)垂直方向Heb的翻轉(zhuǎn)面臨相同的問題,這不利于其實(shí)際應(yīng)用.為了將電控Heb翻轉(zhuǎn)實(shí)際應(yīng)用到自旋電子器件當(dāng)中,北京航空航天大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)[16,17]提出了基于面內(nèi)磁各向異性的重金屬/反鐵磁/鐵磁薄膜結(jié)構(gòu)的磁隧道結(jié)器件,利用電流在無磁場輔助下驅(qū)動(dòng)Heb翻轉(zhuǎn).該三端MTJ 器件具備抗強(qiáng)磁場干擾、無需外磁場輔助以及與現(xiàn)有CMOS 工藝兼容等優(yōu)勢,并且能夠解決現(xiàn)有面內(nèi)SOT-MRAM 的尺寸微縮問題.

在非磁/鐵磁異質(zhì)結(jié)中,熱效應(yīng)雖然能輔助SOT 降低磁矩翻轉(zhuǎn)的電流密度[18,19],但并不是磁矩翻轉(zhuǎn)的必要因素.然而在非磁/反鐵磁/鐵磁多層膜結(jié)構(gòu)中,阻塞溫度Tb對(duì)反鐵磁的厚度敏感,例如IrMn 的厚度為幾納米時(shí),其Tb小于500 K[20–22],遠(yuǎn)小于CoFeB,Fe,Co 等常見鐵磁薄膜的居里溫度[23,24].所以,在SOT 翻轉(zhuǎn)過程中,非磁/反鐵磁/鐵磁體系比非磁/鐵磁體系更容易受到熱效應(yīng)的影響,盡管一些研究[25–27]認(rèn)為熱效應(yīng)在電流翻轉(zhuǎn)反鐵磁/鐵磁薄膜的Heb過程中起主要作用,但仍然缺乏直接的證據(jù)和系統(tǒng)的研究.因此,有必要系統(tǒng)研究電流翻轉(zhuǎn)反鐵磁/鐵磁界面Heb過程中的熱效應(yīng)作用機(jī)制和磁矩翻轉(zhuǎn)機(jī)理.

為此,制備了一系列具有不同IrMn 厚度的Pt/IrMn/Py 薄膜,系統(tǒng)性地研究熱效應(yīng)在Heb翻轉(zhuǎn)過程中的作用,不僅實(shí)現(xiàn)了電流驅(qū)動(dòng)Heb和Py 磁矩的180°翻轉(zhuǎn),而且闡明了脈沖電流產(chǎn)生的焦耳熱能夠解耦交換偏置耦合,對(duì)Heb的翻轉(zhuǎn)起顯著作用.并且,發(fā)現(xiàn)在Heb的翻轉(zhuǎn)過程中,由于IrMn/Py界面的交換耦合作用和鐵磁材料內(nèi)部直接交換相互作用之間的相互競爭關(guān)系與溫度有關(guān),因此各向異性磁電阻(anisotropic magnetoresistance,AMR)曲線呈現(xiàn)溫度相關(guān)的兩步磁化翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象.本文厘清了熱效應(yīng)在電控Heb翻轉(zhuǎn)過程中的作用機(jī)制,將激發(fā)更多基于Heb調(diào)控的高性能自旋電子應(yīng)用.

2 實(shí)驗(yàn)方法

樣品沉積和器件制備: 利用Singulus 超高真空磁控濺射系統(tǒng) (基本壓強(qiáng)為5×10–8Torr (1 Torr=133 Pa) 在熱氧化硅襯底上沉積Pt/IrMn/Py/MgO/Ru 薄膜;Pt,IrMn,Py 和Ru 靶材采用直流濺射,速率分別為2.16,15.36,9.66,1.44 nm/min,MgO靶材采用射頻濺射,速率為2.04 nm/min.利用紫外光刻和氬離子刻蝕技術(shù)將薄膜加工成5 μm 線寬的霍爾條器件,隨后利用電子束蒸發(fā)系統(tǒng)沉積20 nm Ti 和80 nm Au 并剝離制備成電極.

磁性和電輸運(yùn)測量: 薄膜的磁性通過振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)(vibration sample magnetometer,VSM)來表征;器件的電輸運(yùn)測量在綜合物性測量系統(tǒng)(physical property measurement system,PPMS)中完成,Keithley 6221 電流源施加直流電流和脈沖電流,Keithley 2182A 用于檢測器件電壓降.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 薄膜的結(jié)構(gòu)、磁性表征及電流驅(qū)動(dòng)Heb 翻轉(zhuǎn)

按照如圖1(a)所示的膜層結(jié)構(gòu),利用磁控濺射生長了一系列薄膜: SiO2/Pt (5 nm)/IrMn (3,4,6,8 nm)/Py (4 nm)/MgO (1.5 nm)/Ru (1.5 nm).圖1(b)是利用VSM 測量的Pt/IrMn (6 nm)/Py薄膜的面內(nèi)磁滯回線,薄膜具有面內(nèi)磁各向異性,由于未經(jīng)磁場下的高溫退火處理,Heb為零.圖1(c)為電學(xué)測試所用的霍爾條器件和測試結(jié)構(gòu)示意圖,器件x方向的長軸接6221 電流源,短軸接2182A電壓表.為了測量Heb在電流作用下的翻轉(zhuǎn),首先沿著霍爾條x方向的長軸施加脈寬長度為10 ms的電流脈沖信號(hào),隨后通100 μA 的直流,測量同側(cè)兩短軸之間的電壓降,計(jì)算得到電阻值,并同時(shí)沿著y方向掃磁場得到器件的AMR 曲線,然后通過AMR 曲線相對(duì)于零磁場是否發(fā)生偏移來判斷Heb是否翻轉(zhuǎn).

圖1 (a) Pt/IrMn/Py/MgO/Ru 膜層結(jié)構(gòu)示意圖;(b) Pt/IrMn (6 nm)/Py 薄膜的面內(nèi)磁滯回線;(c) 霍爾條器件和測試結(jié)構(gòu)圖;Pt/IrMn (6 nm)/Py 器件(d) 初始狀態(tài)和(e)施加不同電流脈沖情況下的AMR 曲線;(f) Heb 隨Ipulse 的變化曲線Fig.1.(a) Schematic illustration of the Pt/IrMn/Py/MgO/Ru sample;(b) in-plane magnetic hysteresis loop of Pt/IrMn (6 nm)/Py film;(c) schematic of Hall bar device and electrical transport measurement;AMR curves of the Pt/IrMn (6 nm)/Py device under(d) initial state and (e) after applying a current pulse Ipulse;(f) Heb as a function of Ipulse.

圖1(d)展示了Pt/IrMn (6 nm)/Py 器件在未施加任何電流脈沖情況下的AMR 曲線,與初始狀態(tài)下的磁滯回線相一致,AMR 曲線的峰未呈現(xiàn)出明顯的偏移,表明Heb=0 Oe.緊接著,測量了Pt/IrMn (6 nm)/Py 器件在施加電流脈沖后所測得的AMR 曲線,如圖1(e)所示.首先,沿著–x方向施加一個(gè)電流脈沖Ipulse=–32 mA,AMR 曲線結(jié)果表明該脈沖電流產(chǎn)生了一個(gè)沿著+y方向的交換偏置場+Heb;然后,沿+x方向施加電流脈沖,發(fā)現(xiàn)隨著電流脈沖的增大AMR 曲線發(fā)生偏移,最終產(chǎn)生一個(gè)沿–y方向的交換偏置場–Heb;緊接著,沿著器件–x方向施加電流脈沖,最終Heb從沿–y方向翻轉(zhuǎn)到沿+y方向.上述結(jié)果表明Heb的翻轉(zhuǎn)極性取決于電流方向.圖1(f)總結(jié)了器件的Heb隨Ipulse的變化曲線,從中可以清晰地發(fā)現(xiàn)當(dāng)脈沖電流達(dá)到30 mA,Heb發(fā)生快速且陡峭的翻轉(zhuǎn),所產(chǎn)生的Heb值高達(dá)450 Oe,與相同體系中磁場熱退火產(chǎn)生Heb值相當(dāng)[28–30].

3.2 熱效應(yīng)在電流驅(qū)動(dòng)Heb 翻轉(zhuǎn)中的作用機(jī)制

為了分析熱效應(yīng)在電控Heb中的作用,測量了不同環(huán)境溫度下具有不同IrMn 厚度樣品的Heb和器件溫度隨Ipulse的變化曲線.圖2(a)展現(xiàn)了300 K溫度下Pt/IrMn (3,4,6,8 nm)/Py 器件的Heb隨電流脈沖Ipulse的變化曲線.為了準(zhǔn)確地表征器件溫度Td,首先通入小的直流電流測量器件在不同環(huán)境溫度下的電阻,得到器件的電阻隨環(huán)境溫度的變化關(guān)系,隨后測量不同電流下器件的電阻,最后根據(jù)這兩步的測試結(jié)果便可得到Td隨電流脈沖Ipulse的變化曲線,如圖2(b)所示.結(jié)合圖2(a)和圖2(b),可得到Heb翻轉(zhuǎn)時(shí)臨界電流Ic對(duì)應(yīng)的器件溫度T*隨著IrMn 厚度tIrMn的增大而增大.進(jìn)一步研究了Pt/IrMn (6 nm)/Py 器件在不同恒溫器溫度Tc下的Heb翻轉(zhuǎn)曲線和器件溫度Td,如圖2(c)和圖2(d)所示,盡管Ic會(huì)隨Tc的增大而減小,但是T*依然保持不變.

圖2 Pt/IrMn (3,4,6,8 nm)/Py 器件的(a) Heb 和(b) Td 隨Ipulse 的變化;Pt/IrMn (6 nm)/Py 器件的(c) Heb 和(d) Td 在Tc=200,300,400 K 時(shí)隨Ipulse 的變化;(e) 不同IrMn 厚度器件的Heb 隨Tc 大小的變化;(f)T? 和Tb 隨tIrMn 大小的變化Fig.2.(a) Heb and (b) Td vary with Ipulse of Pt/IrMn (3,4,6,8 nm)/Py devices;(c) Heb and (d) Td vary with Ipulse for Pt/IrMn(6 nm)/Py device at Tc=200,300,400 K;(e) dependence of Heb on Tc for the Pt/IrMn (3,4,6,8 nm)/Py devices;(f)T? and Tb as a function of tIrMn.

通過測量不同Tc下的AMR 曲線,可以得到Heb隨Tc的變化曲線,如圖2(e)所示,顯然隨著Tc的升高,Heb在減小,并且在相同Tc下,tIrMn越大,Heb越大.Heb降為零時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度即為反鐵磁/鐵磁異質(zhì)結(jié)的阻塞溫度Tb[31],由圖2(e)可知tIrMn=3 nm 和tIrMn=4 nm 時(shí),Tb分別為360 和400 K.由于測試條件所限,無法繼續(xù)升溫測量tIrMn=6 nm 和tIrMn=8 nm 時(shí)器件的Tb,但根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道[20],tIrMn=6 nm 和tIrMn=8 nm 時(shí),Tb分別為480,540 K.圖2(f)總結(jié)了T?和Tb隨IrMn厚度的變化關(guān)系,隨著IrMn 厚度增加,兩者都呈現(xiàn)出增大趨勢,但是當(dāng)IrMn 厚度相同時(shí)，T?均大于Tb.上述結(jié)果直接表明,在電流驅(qū)動(dòng)Heb翻轉(zhuǎn)過程中,熱效應(yīng)足以使得IrMn/Py 界面的Heb為零,解除IrMn/Py界面的交換耦合作用,促進(jìn)Heb翻轉(zhuǎn).

為了進(jìn)一步研究電流驅(qū)動(dòng)Heb翻轉(zhuǎn)機(jī)制,測量恒定電流脈沖下Heb隨著外磁場Hext的響應(yīng)關(guān)系.如圖3(a)所示,在零磁場的環(huán)境下沿著Pt/IrMn(6 nm)/Py 器件的–x方向施加該器件的臨界翻轉(zhuǎn)電流脈沖Ipulse=–32 mA 將器件初始化,器件產(chǎn)生沿+y方向的交換偏置場+Heb.緊接著沿+x方向通入+32 mA 的電流脈沖并同時(shí)沿–y方向施加外磁場,發(fā)現(xiàn)隨著外磁場的逐漸增大,Heb的翻轉(zhuǎn)極性被改變.圖3(b)總結(jié)了在恒定電流脈沖Ipulse=–32 mA 或Ipulse=+32 mA 下,Heb隨外磁場Hext的變化曲線,當(dāng)Hext足夠大時(shí),Heb的翻轉(zhuǎn)極性完全由外磁場決定,不取決于電流極性.上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明當(dāng)電流產(chǎn)生的焦耳熱效應(yīng)將器件Td升溫至超過器件的Tb使得Heb為零時(shí),如果電流產(chǎn)生的有效場能夠克服矯頑場Hc即可實(shí)現(xiàn)Heb的翻轉(zhuǎn).

圖3 (a) Pt/IrMn (6 nm)/Py 器件在不同外磁場Hext 下的AMR 曲線;(b) 恒定電流脈沖Ipulse=–32 mA 或Ipulse=+32 mA 下,Heb 隨Hext 大小的變化關(guān)系;(c) 施加不同大小電流時(shí)Pt/IrMn (3 nm)/Py 器件的AMR 曲線;(d) Heb 翻轉(zhuǎn)時(shí)器件的Hc、電流產(chǎn)生的HOe 以及改變Heb 翻轉(zhuǎn)極性的Hext 大小隨IrMn 厚度的變化關(guān)系Fig.3.(a) AMR curves of the Pt/IrMn (6 nm)/Py device under a constant current pulse Ipulse=+32 mA and varying Hext;(b) Heb varies with Hext for the Pt/IrMn (6 nm)/Py device under Ipulse=±32 mA;(c) AMR curves of the Pt/IrMn (3 nm)/Py device under different Ipulse;(d) HOe,Hc and Hext of the Pt/IrMn (3,4,6,8 nm)/Py devices when Heb switches.

為了表征器件的Heb翻轉(zhuǎn)時(shí)Hc的大小,在器件中施加大電流測量Td=T?時(shí)器件的AMR曲線.如圖3(c)所示,隨著施加電流的增大,Pt/IrMn (3 nm)/Py 器件的Hc和Heb因器件溫度的升高在逐漸地降低,當(dāng)電流大小為18.5 mA,接近器件的Ic=22 mA 時(shí),Heb幾乎為零,Hc大約為13 Oe,即,當(dāng)電流產(chǎn)生的有效場大于13 Oe 時(shí),即可實(shí)現(xiàn)鐵磁磁矩翻轉(zhuǎn),進(jìn)而誘導(dǎo)Heb翻轉(zhuǎn).因此,利用安培定律HOe=I/2w計(jì)算臨界翻轉(zhuǎn)電流所產(chǎn)生的奧斯特場HOe,其中w為器件的線寬.計(jì)算時(shí)需要充分考慮電流的分流作用,確定流經(jīng)不同金屬層的電流大小,然后分別計(jì)算Pt,IrMn 中電流產(chǎn)生的HOe,兩者的和為即為作用于Py 的HOe.雖然HOe在z方向上的分布是不均勻的,但是薄膜的厚度在納米量級(jí),Py 層受到的HOe可以按照Pt,IrMn 上表面中心產(chǎn)生的HOe計(jì)算,誤差可忽略不計(jì).在計(jì)算過程中Pt,IrMn 和Py 的電阻率取值分別為 29.6 μ?·cm,229.3 μ?·cm 和130 μ?·cm.圖3(d)總結(jié)了Pt/IrMn (3,4,6,8 nm)/Py 器件的Heb翻轉(zhuǎn)時(shí)器件的Hc,作用于Py 的HOe以及改變器件翻轉(zhuǎn)極性的Hext大小,從圖中可知在Heb翻轉(zhuǎn)時(shí)Hext和HOe均大于Hc,均可以翻轉(zhuǎn)Py 的磁矩,進(jìn)而能夠決定Heb的翻轉(zhuǎn)極性.需要注意的是IrMn 和Pt 具有正的自旋霍爾角,分別為0.07[32]和0.056[33],產(chǎn)生的自旋流對(duì)Py 磁矩的翻轉(zhuǎn)極性與HOe一致,所產(chǎn)生的SOT有效場也能夠驅(qū)動(dòng)Py 磁矩翻轉(zhuǎn),需要進(jìn)一步的表征手段,例如二次諧波測試,測量電流所產(chǎn)生的SOT有效場的大小.并且,根據(jù)圖3(d)發(fā)現(xiàn)Hc+HOe＞Hext,該結(jié)果似乎違背Hext改變Heb翻轉(zhuǎn)極性時(shí)需要滿足的條件Hc+HOe＜Hext,這是因?yàn)楫?dāng)電流脈沖撤掉后,作用于Py 的HOe也同時(shí)降為零,但此刻的Td不會(huì)立刻降到室溫,器件在短時(shí)間內(nèi)依然處于高溫狀態(tài),而Hext是恒定磁場,因此只需要滿足條件Hc＜Hext,Heb的翻轉(zhuǎn)極性便會(huì)被改變.

以上的實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明寬電流脈沖下,電流產(chǎn)生的焦耳熱效應(yīng)對(duì)于IrMn/Py 界面的Heb翻轉(zhuǎn)起主要作用,其作用在于通過將器件升溫至超過Tb來解除IrMn 與Py 之間的交換耦合,Heb的翻轉(zhuǎn)極性由電流產(chǎn)生的HOe和SOT 有效場翻轉(zhuǎn)Py 磁矩的方向決定,而且實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明即使沒有SOT 的存在,電流產(chǎn)生的HOe也足以翻轉(zhuǎn)Py 的磁矩來決定Heb的翻轉(zhuǎn)極性.需要指出的是,隨著脈沖寬度不斷減小,特別是在納秒脈沖下,電流產(chǎn)生的焦耳熱不足以使得交換偏置耦合解除,此時(shí)交換偏置翻轉(zhuǎn)機(jī)制為: 在SOT 作用下,反鐵磁序和鐵磁序的進(jìn)動(dòng)頻率不一致,進(jìn)而解除交換偏置耦合,并且電流產(chǎn)生的奧斯特場和SOT 有效場使得鐵磁磁矩發(fā)生確定翻轉(zhuǎn),脈沖結(jié)束后,誘導(dǎo)產(chǎn)生新的Heb[17].

3.3 電控Heb 中的兩步翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象

在電流驅(qū)動(dòng)Heb翻轉(zhuǎn)的過程中,發(fā)現(xiàn)了顯著的兩步翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象,隨著Tc增大,兩步翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象消失,為了厘清上述翻轉(zhuǎn)過程,進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究和系統(tǒng)分析.圖4(a)展示了Pt/IrMn (4 nm)/Py 器件在Tc=300 K 時(shí)施加電流脈沖后測得的AMR 曲線.當(dāng)通入的電流脈沖Ipulse=–28 mA 和Ipulse=–29 mA時(shí),可以明顯地觀測到AMR 曲線的“雙峰”沿著正磁場方向(+y方向)發(fā)生了明顯的偏移,但是“雙峰”原先所在位置依舊存在一個(gè)小的“雙峰”信號(hào)(圖4(a) 紅色圓圈處).其中,較大的“雙峰”信號(hào)來源于Py 的多數(shù)疇,較小的“雙峰”信號(hào)來源于少數(shù)疇.多數(shù)疇和少數(shù)疇區(qū)域的IrMn 磁矩取向相反,并將鄰近的Py 磁矩釘扎,如圖4(b)所示,因此兩個(gè)區(qū)域的Py 受到相反方向的Heb,AMR 曲線呈現(xiàn)兩步磁化翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象,這與相關(guān)報(bào)道一致[9,34].當(dāng)脈沖電流進(jìn)一步增大至Ipulse=–30 mA,所有反鐵磁疇完成翻轉(zhuǎn),兩步翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象消失.

圖4 (a) 在Tc=300 K 時(shí),Pt/IrMn (4 nm)/Py 器件施加電流脈沖Ipulse 后測得的AMR 曲線以及其(b) 對(duì)應(yīng)的反鐵磁和鐵磁序狀態(tài);(c) 在Tc=360 K 時(shí),Pt/IrMn (4 nm)/Py 器件施加電流脈沖Ipulse 后測得的AMR 曲線;(d) 在Tc=300 K 時(shí),施加電流脈沖Ipulse=–28 mA 后,Pt/IrMn (4 nm)/Py 器件在Tc=300 K 和Tc=360 K 時(shí)測得的AMR 曲線;(e) 在Tc=360 K 時(shí),施加電流脈沖Ipulse=–23 mA 后,Pt/IrMn (4 nm)/Py 器件在Tc=300 K 和Tc=360 K 時(shí)測得的AMR 曲線;Pt/IrMn (4 nm)/Py 器件在(f) Tc=360 K 和(g) Tc=300 K 時(shí)的反鐵磁和鐵磁序狀態(tài)Fig.4.(a) AMR curves and (b) the corresponding antiferromagnetic and ferromagnetic states of the Pt/IrMn (4 nm)/Py device after applying a Ipulse at Tc=300 K;(c) AMR curves of the Pt/IrMn (4 nm)/Py device after applying a Ipulse at Tc=360 K;(d) AMR curves of the Pt/IrMn (4 nm)/Py device at Tc=300 K and Tc=360 K after applying a Ipulse=–28 mA at Tc=300 K;(e) AMR curves of the Pt/IrMn (4 nm)/Py device at Tc=300 K and Tc=360 K after applying a Ipulse=–23 mA at Tc=360 K;Antiferromagnetic and ferromagnetic states of the Pt/IrMn (4 nm)/Py device at (f) Tc=360 K and (g) Tc=300 K.

然而當(dāng)Tc=360 K 時(shí),在施加電流脈沖后,在Heb翻轉(zhuǎn)過程中,AMR 曲線均不存在兩步磁化翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象,如圖4(c)所示.為了探究該現(xiàn)象背后的原因,分別做了一個(gè)升溫和降溫實(shí)驗(yàn).如圖4(d)所示,在Tc=300 K 的條件下施加一個(gè)電流脈沖Ipulse=–28 mA 后測量器件的AMR 曲線,發(fā)現(xiàn)AMR 曲線存在兩步磁化翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象,表明Py 同時(shí)受到兩個(gè)相反方向的Heb.緊接著將Tc升高到360 K測量器件的AMR 曲線,然后發(fā)現(xiàn)原來AMR 曲線較小的“雙峰”信號(hào)在Tc=360 K 時(shí)消失,不存在兩步磁化翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象,顯然隨著溫度的升高Py 只明顯受到其中一個(gè)方向的Heb,另一個(gè)相反方向的Heb幾乎為零.如圖4(e)所示,在Tc=360 K 的條件下施加一個(gè)電流脈沖Ipulse=–23 mA,然后測量器件的AMR 曲線并隨即降溫到Tc=300 K,發(fā)現(xiàn)AMR 曲線在Tc=300 K 時(shí)出現(xiàn)兩步磁化翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象,說明該溫度下Py 又重新受到相反方向的Heb.

上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明Tc=360 K 時(shí),在Heb的翻轉(zhuǎn)過程中,IrMn 依然是多疇狀態(tài),反鐵磁序仍然會(huì)出現(xiàn)磁矩取向相反的區(qū)域.我們之所以無法在Tc=360 K 時(shí),通過AMR 曲線觀測到相反方向的Heb,是因?yàn)殡S著Tc接近Tb,IrMn/Py 界面的交換耦合強(qiáng)度減弱,少數(shù)疇區(qū)域的交換耦合作用弱于鐵磁間的交換相互作用,使得少數(shù)疇區(qū)域和多數(shù)疇的Py 磁矩取向一致,如圖4(f)所示,因此AMR曲線不會(huì)出現(xiàn)兩步磁化翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象.隨著Tc的降低,IrMn/Py 界面的交換耦合強(qiáng)度增大,少數(shù)疇區(qū)域的交換耦合作用大于Py 磁矩間的交換相互作用,因此少數(shù)疇區(qū)域的Py 磁矩重新被釘扎,如圖4(g)所示.IrMn/Py 界面的Heb大小也與IrMn 的厚度相關(guān),對(duì)于Pt/IrMn (6,8 nm)/Py 器件,即使Tc達(dá)到400 K,IrMn/Py 界面的Heb仍然比較大,少數(shù)疇區(qū)域的Py 磁矩依然被IrMn 磁矩釘扎,AMR曲線呈現(xiàn)兩步翻轉(zhuǎn)的現(xiàn)象.但是對(duì)于Pt/IrMn(3 nm)/Py 器件而言,由于IrMn/Py 界面的Heb較小,即使在室溫下(300 K),少數(shù)疇區(qū)域的IrMn磁矩?zé)o法將Py 磁矩釘扎.總之,由于交換耦合作用更加容易受到熱效應(yīng)的影響且IrMn 呈現(xiàn)多疇翻轉(zhuǎn),當(dāng)Tc接近Tb時(shí),少數(shù)疇區(qū)域的交換耦合作用被Py 磁矩間的交換相互作用克服,因此Py 只明顯受到多疇區(qū)域的交換耦合作用,此時(shí)的AMR曲線不會(huì)出現(xiàn)兩步磁化翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象,而當(dāng)Tc遠(yuǎn)離Tb時(shí),少數(shù)疇區(qū)域的交換耦合作用強(qiáng)于Py 磁矩間的交換相互作用,Py 明顯受到兩個(gè)相反方向的Heb,此時(shí)的AMR 曲線出現(xiàn)兩步磁化翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象.

4 展望與結(jié)論

面向未來應(yīng)用,本工作的相關(guān)成果為基于電流驅(qū)動(dòng)交換偏置場翻轉(zhuǎn)的新型自旋電子器件研制提供了理論借鑒和支撐.器件的特征尺寸和功耗一直是衡量器件性能的重要指標(biāo),利用反鐵磁/鐵磁異質(zhì)結(jié)的交換偏置效應(yīng)可有效增加器件的熱穩(wěn)定,降低器件特征尺寸.根據(jù)本文的研究結(jié)果,IrMn/Py異質(zhì)結(jié)的Heb和Tb等與器件熱穩(wěn)定性相關(guān)的參數(shù)隨IrMn 厚度的增加而增大,當(dāng)IrMn 的厚度在6 nm 及以上時(shí),在400 K 溫度下,IrMn/Py 異質(zhì)結(jié)的Heb大于150 Oe,能夠穩(wěn)定鐵磁的磁矩狀態(tài),足以滿足磁存儲(chǔ)器件的車規(guī)級(jí)應(yīng)用需求(233—398 K).并且,我們的結(jié)果表明,隨著環(huán)境溫度的升高,Heb翻轉(zhuǎn)所需的Ic顯著地降低,因此在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中,為了在保持器件熱穩(wěn)定性的情況下降低功耗,可以利用激光加熱等手段輔助Heb的翻轉(zhuǎn),實(shí)現(xiàn)低功耗信息寫入.此外,本文所提出的熱效應(yīng)主導(dǎo)的Heb翻轉(zhuǎn)模式可應(yīng)用于靈活配置磁傳感單元的釘扎方向,構(gòu)建惠斯通電橋結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)高靈敏磁場探測[3];同時(shí)可應(yīng)用于調(diào)控SOT 翻轉(zhuǎn)手性,實(shí)現(xiàn)SOT 邏輯器件的功能重構(gòu)[25,26].

總之,本工作系統(tǒng)研究電流驅(qū)動(dòng)Heb翻轉(zhuǎn)過程中的臨界翻轉(zhuǎn)電流Ic、器件溫度Td、阻塞溫度Tb以及矯頑場Hc等參數(shù),結(jié)果表明在毫秒電流脈沖作用下,器件溫度Td將達(dá)到甚至超過Tb,使得鐵磁和反鐵磁之間解耦合,同時(shí)電流產(chǎn)生的HOe和SOT有效場將驅(qū)動(dòng)鐵磁磁矩發(fā)生翻轉(zhuǎn),進(jìn)而在降溫過程中形成新的Heb.進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)在Heb的翻轉(zhuǎn)過程中,由于反鐵磁/鐵磁界面的交換耦合作用和鐵磁直接交換相互作用存在競爭關(guān)系以及Heb更容易受到熱效應(yīng)的影響,當(dāng)環(huán)境溫度遠(yuǎn)小于阻塞溫度時(shí),AMR 曲線在交換偏置場的翻轉(zhuǎn)過程中存在兩步磁化翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象,而當(dāng)環(huán)境溫度接近IrMn 的阻塞溫度時(shí),兩步翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象消失.本文的研究結(jié)果厘清了寬電流脈沖驅(qū)動(dòng)反鐵磁/鐵磁異質(zhì)結(jié)Heb翻轉(zhuǎn)的物理機(jī)制,并揭示了熱效應(yīng)的顯著作用,為交換偏置調(diào)控在自旋器件領(lǐng)域的研究提供支撐.